传感器技术应用-9

1、IVT电子工程系电子工程系苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年3月22日第第9章章 新型传感器新型传感器 本章学习的主要内容有：本章学习的主要内容有：1.光纤传感器的原理与应用；光纤传感器的原理与应用；2.红外线传感器的原理与应用；红外线传感器的原理与应用； 3.超声波传感器的原理与应用；超声波传感器的原理与应用； 4.激光传感器的原理与应用；激光传感器的原理与应用； IVT电子工程系电子工程系苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年3月22日9.1

2、9.1 光纤传感器光纤传感器 光导纤维传感器光导纤维传感器(简称光纤传感器简称光纤传感器)是七十年代迅是七十年代迅速发展起来的一种新型传感器。光纤传感器具有灵速发展起来的一种新型传感器。光纤传感器具有灵敏度高，不受电磁波干扰，传输频带宽，绝缘性能敏度高，不受电磁波干扰，传输频带宽，绝缘性能好，耐水抗腐蚀性好，体积小，柔软等优点。目前好，耐水抗腐蚀性好，体积小，柔软等优点。目前已研制出多种光纤传感器，可用于位移、速度、加已研制出多种光纤传感器，可用于位移、速度、加速度、液位、压力、流量、振动、水声、温度、电速度、液位、压力、流量、振动、水声、温度、电压、电流；磁场、核辐射等方面的测量。应用前景压

3、、电流；磁场、核辐射等方面的测量。应用前景十分广阔。十分广阔。 IVT电子工程系电子工程系苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年3月22日9.1.1 光纤传感器的基础知识光纤传感器的基础知识 9.1.1.1 9.1.1.1 光纤传感器的工作原理光纤传感器的工作原理 图9.1.1是光纤的结构示意图。它由导光的芯体玻璃(称为纤芯)和包层玻璃所组成。n1n2ABCD101231231-纤芯 2-包层 3-外护套IVT电子工程系电子工程系苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第

4、二版）2022年3月22日 设纤芯的折射率为设纤芯的折射率为n1，包层的折射率为包层的折射率为 (其典型其典型值是值是n11.461.51，n2 =1.441.50)，且且n1 n2。当光线从空气当光线从空气(折射率为折射率为n0)中射入光纤的一个端面，中射入光纤的一个端面，并与其轴线的夹角为并与其轴线的夹角为0，则在光纤内折射成角则在光纤内折射成角1的的光线光线B，然后光线然后光线B以以1 (190-1)角入射到纤芯角入射到纤芯与包层的交界面上。由于纤芯与包层的折射率不等与包层的交界面上。由于纤芯与包层的折射率不等(即即n1n2)，光线光线B的一部分光被反射，成为反射光的一部分光被反射，成为

5、反射光D；另一部分光折射成为折射光另一部分光折射成为折射光C。这时入射光线与折射这时入射光线与折射光线应满足光线应满足 ：IVT电子工程系电子工程系苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年3月22日n n1 1sinsin1 1 = = n n2 2sinsin2 2 (9-1-1) (9-1-1)由于由于n n1 1 n n2 2，当当1 1为某值时，可使为某值时，可使2 29090，即折射即折射光沿界面传播，此现象称为全反射。使光沿界面传播，此现象称为全反射。使2 29090的的1 1角称为临界角，以角称为临界角，以0

6、0表示。由式表示。由式(7-1)(7-1)可知可知( (因因sinsin2 21)1)，其临界角为其临界角为 (9-1-2) (9-1-2)即即 例如：例如：n n1 11.511.51，n n2 2=1.48=1.48，则则0 087.287.2121nnsin120nnarcsinIVT电子工程系电子工程系苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年3月22日若继续加大入射角若继续加大入射角1，(即即12)，光不再产生折射，而形光不再产生折射，而形成了光的全反射，光线被限制在纤芯中传播。于是式成了光的全反射，光线被限制在纤芯

7、中传播。于是式(9-1-2)为为 (9-1-3)这就是光纤传光的基本工作原理。这就是光纤传光的基本工作原理。在实际应用中，更关心的是光线以多大角度入射光纤端面在实际应用中，更关心的是光线以多大角度入射光纤端面时，能使折射光完全在纤芯中传播，即如图时，能使折射光完全在纤芯中传播，即如图9.1.1所示中，所示中，0角为何值时方能使角为何值时方能使12。当光线在当光线在A点点(空气中，其折空气中，其折射率为射率为n1)入射，则有入射，则有 (9-1-4)式中式中190-1121nnsin111100cosnsinnsinnIVT电子工程系电子工程系苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感

8、器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年3月22日 纤芯与包层的折射率差值越大，数值孔径就越大，纤芯与包层的折射率差值越大，数值孔径就越大，光纤的集光能力越强。以上我们讨论光纤的传光原理光纤的集光能力越强。以上我们讨论光纤的传光原理时，忽略了光在传播过程中的各项损耗。实际上入射时，忽略了光在传播过程中的各项损耗。实际上入射于光纤中的光，存在有损耗于光纤中的光，存在有损耗(如费涅耳反射损耗、光如费涅耳反射损耗、光吸收损耗、全反射损耗、弯曲损耗等吸收损耗、全反射损耗、弯曲损耗等)，其中一部分，其中一部分光在传播途中就损失了，因此光纤不可能百分之百地光在传播途中就损失了，因此光纤不

9、可能百分之百地将入射光的能量传播出去。将入射光的能量传播出去。 IVT电子工程系电子工程系苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年3月22日9.1.1.2 9.1.1.2 光纤传感器的类型光纤传感器的类型 光纤传感器按其作用一般分为物性型光纤传感器按其作用一般分为物性型( (或称功能型或称功能型) )和和结构型结构型( (或称非功能型或称非功能型) )两大类。两大类。 物性型光纤传感器的光纤不仅起传光作用，同时又是敏感物性型光纤传感器的光纤不仅起传光作用，同时又是敏感元件，即是利用被测物理量直接或间接对光纤中传送光的元件，即

10、是利用被测物理量直接或间接对光纤中传送光的光强光强( (振幅振幅) )、相位、偏振态、波长等进行调制而构成的一、相位、偏振态、波长等进行调制而构成的一类传感器。其中有光强调制型、光相位调制型、光偏振调类传感器。其中有光强调制型、光相位调制型、光偏振调制型等。制造这类传感器的技术难度大，结构复杂，调整制型等。制造这类传感器的技术难度大，结构复杂，调整较困难。较困难。 IVT电子工程系电子工程系苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年3月22日 结构型光纤传感器中光纤不是敏感元件，只是作为结构型光纤传感器中光纤不是敏感元件，只是

11、作为传光元件。这种传感器常用数值孔径和芯径较大的光纤。传光元件。这种传感器常用数值孔径和芯径较大的光纤。结构型光纤传感器结构简单、可靠，技术上易实现，但结构型光纤传感器结构简单、可靠，技术上易实现，但灵敏度、测量精度一般低于物性型光纤传感器。灵敏度、测量精度一般低于物性型光纤传感器。 光纤传感器一般由光源、光纤、光电元件等组成。光纤传感器一般由光源、光纤、光电元件等组成。根据光纤传感器的用途和光纤的类型，对光源一般要提根据光纤传感器的用途和光纤的类型，对光源一般要提出功率和调制的要求。常用的光源有激光二极管和发光出功率和调制的要求。常用的光源有激光二极管和发光二极管。激光二极管具有亮度高，易调

12、制，尺寸小等优二极管。激光二极管具有亮度高，易调制，尺寸小等优点。而发光二极管具有结构简单和温度对发射功率影响点。而发光二极管具有结构简单和温度对发射功率影响小等优点。除此之外，还有采用白炽灯等作光源。小等优点。除此之外，还有采用白炽灯等作光源。 IVT电子工程系电子工程系苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年3月22日9.1.2 9.1.2 光纤传感器的应用光纤传感器的应用9.1.2.1 9.1.2.1 物性型的光纤微弯曲式传感器物性型的光纤微弯曲式传感器 光纤微弯传感器的光功率是维持在光纤内部的，光纤微弯传感器的光功率

13、是维持在光纤内部的，这样可以免除周围环境污染的影响，适宜在恶劣环境这样可以免除周围环境污染的影响，适宜在恶劣环境中使用。另外还有灵敏度高、结构简单、动态范围宽、中使用。另外还有灵敏度高、结构简单、动态范围宽、线性度较好，性能稳定等优点。线性度较好，性能稳定等优点。9.1.2.2 9.1.2.2 结构型的传输光光纤传感器结构型的传输光光纤传感器 在光纤本身不是敏感元件的结构型光纤传感器中，在光纤本身不是敏感元件的结构型光纤传感器中，主要依据敏感元件对光强的调制。该传感器是通过半主要依据敏感元件对光强的调制。该传感器是通过半导体光吸收片吸收光的能量，对传输光的光强进行调导体光吸收片吸收光的能量，对

14、传输光的光强进行调制，如下图所示。制，如下图所示。IVT电子工程系电子工程系苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年3月22日CVD3VD2VD1VTR2R1R3+E1123R4R5R6Rf+E24图9.1.3 半导体吸收式光纤传感器测温原理图1-光纤 2-支架 3-半导体光吸收片 4-数字面板表-+IVT电子工程系电子工程系苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年3月22日9.1.2.3 9.1.2.3 nxSensor-InxSensor-I型三维激光

15、扫描传感器型三维激光扫描传感器 1. 1.工作原理工作原理如下图所示，如下图所示，该传感器是激光技术、电子成像和该传感器是激光技术、电子成像和数字信号处理等学科的完美结合。是测量物体表面坐数字信号处理等学科的完美结合。是测量物体表面坐标的同类产品中最为先进的。与其他传统的激光器件标的同类产品中最为先进的。与其他传统的激光器件或传感器不同，或传感器不同，nxSensor-InxSensor-I不需在计算机中插入内置不需在计算机中插入内置板卡，而是通过嵌入式的板卡，而是通过嵌入式的DSPDSP技术和软件自动处理图象技术和软件自动处理图象并直接实时的产生并直接实时的产生3 3D D坐标。基于坐标。基

16、于USBUSB的即插即用的特性的即插即用的特性使得使得nxSensor-InxSensor-I可以非常容易的工作在可以非常容易的工作在PCPC和其它系统和其它系统中。中。IVT电子工程系电子工程系苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年3月22日 三维激光扫描传感器工作流程三维激光扫描传感器工作流程 IVT电子工程系电子工程系苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年3月22日2 2性能参数：性能参数：传感器型号：传感器型号：nxSensor-InxSens

17、or-I行程行程: : 170mm 170mm完整测量范围：完整测量范围：-70(-70(z) x 60mm(y)(far end) + 50(z) z) x 60mm(y)(far end) + 50(z) x 30(y)mm (near end)x 30(y)mm (near end)最佳范围：最佳范围： -30( -30(z) x 45mm(y)(far end) + 30(z) z) x 45mm(y)(far end) + 30(z) x 35(y)mm (near end)x 35(y)mm (near end)最大采样点：最大每秒最大采样点：最大每秒6 6，400400点点分辨率

18、：分辨率： 5 5 umum精确度：精确度： up to 25 umup to 25 um工作温度：工作温度： 2030 2030 C CIVT电子工程系电子工程系苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年3月22日9.2 红外线传感器红外线传感器 红外线传感器是利用物体产生红外辐射的特性，实现自红外线传感器是利用物体产生红外辐射的特性，实现自动检测的传感器。在物理学中，我们已经知道可见光、不可动检测的传感器。在物理学中，我们已经知道可见光、不可见光、红外光及无线电等都是电磁波，它们之间的差别只是见光、红外光及无线电等都是电磁

19、波，它们之间的差别只是波长波长(或频率或频率)的不同而已。下面是将各种不同的电磁波按照的不同而已。下面是将各种不同的电磁波按照波长波长(或频率或频率)排成如下图所示的波谱图，称之为电磁波谱。排成如下图所示的波谱图，称之为电磁波谱。 名称声波无线电波红外线可见光紫外线X射线 射线频率波长 104 Km10 Km1 Km1 m1cm 1mm1 m 1 nm0.1 nm310-1 31023105 3108 31010 31011 31014 31017 31018 31021IVT电子工程系电子工程系苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版

20、）2022年3月22日9.2.1 9.2.1 红外辐射的产生及其性质红外辐射的产生及其性质 红外辐射是由于物体红外辐射是由于物体( (固体、液体和气体固体、液体和气体) )内部分子的内部分子的转动及振动而产生的。这类振动过程是物体受热而引起的，转动及振动而产生的。这类振动过程是物体受热而引起的，只有在绝对零度只有在绝对零度(-273.16(-273.16) )时，一切物体的分子才会停时，一切物体的分子才会停止运动。所以在绝对零度时，没有一种物体会发射红外线。止运动。所以在绝对零度时，没有一种物体会发射红外线。红外线和所有的电磁波一样，具有反射、折射、散射、干红外线和所有的电磁波一样，具有反射、

21、折射、散射、干涉及吸收等性质，但它的特点是热效应非常大，红外线在涉及吸收等性质，但它的特点是热效应非常大，红外线在真空中传播的速度真空中传播的速度c c=3=310108 8m ms s，而在介质中传播时，由而在介质中传播时，由于介质的吸收和散射作用使它产生衰减。红外线的衰减遵于介质的吸收和散射作用使它产生衰减。红外线的衰减遵循如下规律循如下规律 （9-2-19-2-1）KxeII0IVT电子工程系电子工程系苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年3月22日式中，式中，I为通过厚度为为通过厚度为x的介质后的通量；的介质后的通

22、量；I0为射到介质时的为射到介质时的通量；通量；e为自然对数的底；为自然对数的底；K为与介质性质有关的常数。为与介质性质有关的常数。 金属对红外辐射衰减非常大，一般金属材料基本上不能透金属对红外辐射衰减非常大，一般金属材料基本上不能透过红外线；大多数的半导体材料及一些塑料能透过红外线；过红外线；大多数的半导体材料及一些塑料能透过红外线；液体对红外线的吸收较大，例如厚液体对红外线的吸收较大，例如厚l(mm)的水对红外线的透的水对红外线的透明度很小，当厚度达到明度很小，当厚度达到lcm时，水对红外线几乎完全不透明时，水对红外线几乎完全不透明了；气体对红外辐射也有不同程度的吸收，例如大气了；气体对红

23、外辐射也有不同程度的吸收，例如大气(含水含水蒸汽、二氧化碳、臭氧、甲烷等蒸汽、二氧化碳、臭氧、甲烷等)就存在不同程度的吸收，就存在不同程度的吸收，它对波长为它对波长为15m，814m之间的红外线是比较透明的，之间的红外线是比较透明的，对其他波长的透明度就差了。而介质的不均匀，晶体材料对其他波长的透明度就差了。而介质的不均匀，晶体材料的不纯洁，有杂质或悬浮小颗粒等，都会引起对红外辐射的不纯洁，有杂质或悬浮小颗粒等，都会引起对红外辐射的散射。的散射。 IVT电子工程系电子工程系苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年3月22日9

24、.2.2 9.2.2 红外线传感器的类型红外线传感器的类型 能把红外辐射转换成电量变化的装置，称为红外传能把红外辐射转换成电量变化的装置，称为红外传感器，主要有热敏型和光电型两大类。感器，主要有热敏型和光电型两大类。 热敏型是利用红外辐射的热效应制成的，其核心是热敏型是利用红外辐射的热效应制成的，其核心是热敏元件。由于热敏元件的响应时间长，一般在毫秒数热敏元件。由于热敏元件的响应时间长，一般在毫秒数量级以上。另外，在加热过程中，不管什么波长的红外量级以上。另外，在加热过程中，不管什么波长的红外线，只要功率相同，其加热效果也是相同的，假如热敏线，只要功率相同，其加热效果也是相同的，假如热敏元件对

25、各种波长的红外线都能全部吸收的话，那么热敏元件对各种波长的红外线都能全部吸收的话，那么热敏探测器对各种波长基本上都具有相同的响应，所以称其探测器对各种波长基本上都具有相同的响应，所以称其为为“无选择性红外传感器无选择性红外传感器”。这类传感器主要有热释电。这类传感器主要有热释电红外传感器和红外线温度传感器两大类。红外传感器和红外线温度传感器两大类。 IVT电子工程系电子工程系苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年3月22日 光电型是利用红外辐射的光电效应制成的，其核光电型是利用红外辐射的光电效应制成的，其核心是光电元件。因

26、此它的响应时间一般比热敏型短得心是光电元件。因此它的响应时间一般比热敏型短得多，最短的可达到毫微秒数量级。此外，要使物体内多，最短的可达到毫微秒数量级。此外，要使物体内部的电子改变运动状态，入射辐射的光子能量必须足部的电子改变运动状态，入射辐射的光子能量必须足够大，它的频率必须大于某一值，也就是必须高于截够大，它的频率必须大于某一值，也就是必须高于截止频率。由于这类传感器以光子为单元起作用，只要止频率。由于这类传感器以光子为单元起作用，只要光子的能量足够，相同数目的光子基本上具有相同的光子的能量足够，相同数目的光子基本上具有相同的效果，因此常常称其为效果，因此常常称其为“光子探测器光子探测器”

27、。这类传感器。这类传感器主要有红外二极管、三极管等。主要有红外二极管、三极管等。IVT电子工程系电子工程系苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年3月22日 1.1.用于在线温度监测用于在线温度监测 在锻造厂里，工件在锻造之前需要在加热炉内加温在锻造厂里，工件在锻造之前需要在加热炉内加温到到900 ，其误差不得超过其误差不得超过5 ，否则会影响锻件的否则会影响锻件的质量，所以控制锻件的温度是一关键问题。以往的办质量，所以控制锻件的温度是一关键问题。以往的办法是由工人目测温度，看到差不多了，把烧红的锻件法是由工人目测温度，看到

28、差不多了，把烧红的锻件取出放锻锤之下进行锻压。而现在采用红外辐射测温取出放锻锤之下进行锻压。而现在采用红外辐射测温计，通过加热炉口可以直接对准工件的表面，可以测计，通过加热炉口可以直接对准工件的表面，可以测量出工件的温度，如下图所示。量出工件的温度，如下图所示。 9.2.3 9.2.3 红外线传感器的应用红外线传感器的应用IVT电子工程系电子工程系苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年3月22日IVT电子工程系电子工程系苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）20

29、22年3月22日 当锻件加热到当锻件加热到900900C C时，红外探测器便输出电时，红外探测器便输出电信号，启动电动机将锻件从加热炉中由传送带送到信号，启动电动机将锻件从加热炉中由传送带送到锻锤之下进行锻压加工。这样利用红外探测器就可锻锤之下进行锻压加工。这样利用红外探测器就可以对整个工作过程实现生产自动化。以对整个工作过程实现生产自动化。 市售的市售的HBW-B型红外测温仪是非接触式数字显型红外测温仪是非接触式数字显示仪表，它利用被测物的热辐射来确定物体温度，示仪表，它利用被测物的热辐射来确定物体温度，测温范围测温范围600以上。测量距离是根据被测物目标以上。测量距离是根据被测物目标大小来

30、确定的，被测物目标越大，测量距离越远。大小来确定的，被测物目标越大，测量距离越远。测量误差小于量程上限的测量误差小于量程上限的1%。 IVT电子工程系电子工程系苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年3月22日 HBW-BHBW-B型测温仪由传感器（探头）和仪器箱两部分组成，型测温仪由传感器（探头）和仪器箱两部分组成，中间由五芯屏蔽电缆线连接。中间由五芯屏蔽电缆线连接。 红外感温器红外感温器( (探头探头) )是一个典型的红外测温传感器，它是一个典型的红外测温传感器，它的探测元件是硅光电池，工作波段为的探测元件是硅光电池，工

31、作波段为0.650.651.11.1m m，感温感温器之间具有互换性。器之间具有互换性。 仪器箱仪器箱( (电子信号处理器电子信号处理器) )具有十分完备的功能，除了具有十分完备的功能，除了辐射系数修正、线性化处理两种必备的功能外，它尚有平辐射系数修正、线性化处理两种必备的功能外，它尚有平均值、峰值、轧钢测温、超量程报警等八种功能可供用户均值、峰值、轧钢测温、超量程报警等八种功能可供用户选择采用。选择采用。 HBW-B型仪表广泛用于冶金、机械等各种场合和陶瓷、型仪表广泛用于冶金、机械等各种场合和陶瓷、玻璃等各种材料。对响应速度快、运动物体、高温、高压玻璃等各种材料。对响应速度快、运动物体、高温

32、、高压等不能应用接触式等不能应用接触式(如热电偶如热电偶)测温仪表的场合尤其有效。测温仪表的场合尤其有效。IVT电子工程系电子工程系苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年3月22日 2.用于防盗报警用于防盗报警 利用热释电红外传感器和模拟声集成电路制作的利用热释电红外传感器和模拟声集成电路制作的电子警犬，具有良好的防盗报警功能电子警犬，具有良好的防盗报警功能 。 （1）工作原理）工作原理 如下图所示。如下图所示。IVT电子工程系电子工程系苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测

33、技术（第二版）2022年3月22日 （2 2）主要器件）主要器件 BH1用用LHl958型热释电红外传感器，其外形如下型热释电红外传感器，其外形如下图所示。菲涅尔透镜用市售图所示。菲涅尔透镜用市售SNS型，也可用型，也可用CE-024或或Q-1A等型号，还可自制。等型号，还可自制。 IC1用用BISS0001型传感型传感信号处理集成电路。信号处理集成电路。IC2用用FK-53型模拟狗吠声集成电型模拟狗吠声集成电路，该集成电路模拟声逼真，路，该集成电路模拟声逼真，且无需外接功放三极管就能且无需外接功放三极管就能直接驱动外接扬声器工作，直接驱动外接扬声器工作，使用极为方便。使用极为方便。IVT电子

34、工程系电子工程系苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年3月22日 IC2也可采用也可采用H28N型模拟狗吠声集成电路，型模拟狗吠声集成电路，它的应用电路如下图所示。其中，外接振荡电阻它的应用电路如下图所示。其中，外接振荡电阻R可用来改变发声频率，阻值大时频率低，可模拟可用来改变发声频率，阻值大时频率低，可模拟老狗叫声；阻值小时频率高，可模拟小狗叫声。老狗叫声；阻值小时频率高，可模拟小狗叫声。IVT电子工程系电子工程系苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022

35、年3月22日 VTl用用9013型小功率型小功率NPN型硅三极管，型硅三极管，hFE180。LED用用5 mm或或3 mm红色发光二极管。红色发光二极管。R1R11用用1/8W金属膜或碳膜电阻。金属膜或碳膜电阻。C2、C5、C8、C9用耐压用耐压16 V的普通铝电解电容器，的普通铝电解电容器，C1、C3、C4、C6、C7均可用瓷均可用瓷介、涤纶或玻璃釉电容器。介、涤纶或玻璃釉电容器。B用用0.250.5 W、5070 的内磁式电动扬声器。电源用的内磁式电动扬声器。电源用4节节1.5V的的5号电池串联，号电池串联，或者用或者用9 V叠层电池叠层电池(6F22型型)经经78L05型集成稳压器输出型

36、集成稳压器输出稳定的稳定的5 V电压作为电压作为BH1及及ICl的电源。的电源。4.5 V电源用电源用3节节5号电池。这两组电源相互独立，有利于防止电路产生自号电池。这两组电源相互独立，有利于防止电路产生自激。激。 IVT电子工程系电子工程系苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年3月22日 （3）制作）制作 首先在集成电路实验插板首先在集成电路实验插板(如市售的如市售的SYB-130型面包板型面包板)上对电路进行试验，再着手设计印上对电路进行试验，再着手设计印刷电路板，或采用市售通用实验印刷电路板作元器件刷电路板，或采用市

37、售通用实验印刷电路板作元器件布局设计。布局设计。 ICl的输入端的输入端(14脚脚)悬空或接触不良、悬空或接触不良、Rl接触不良、接触不良、R4及及R5阻值过大等都会引起电路自激而影响正常工作，阻值过大等都会引起电路自激而影响正常工作，找到原因后即可排除故障。找到原因后即可排除故障。BISS0001集成电路不得直集成电路不得直接焊在电路板上，必须通过插座接插完成连接。接焊在电路板上，必须通过插座接插完成连接。 IVT电子工程系电子工程系苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年3月22日 （4）调试）调试 装在热释电传感器前面

38、的菲涅尔透镜装在热释电传感器前面的菲涅尔透镜或其代用品应弯曲成圆柱面，传感器位于菲涅尔透镜焦或其代用品应弯曲成圆柱面，传感器位于菲涅尔透镜焦距附近，通过多次探测试验对比后确定它们之间的最佳距附近，通过多次探测试验对比后确定它们之间的最佳相对位置。一般警戒距离可达相对位置。一般警戒距离可达4 m以上。以上。 （5）应用）应用 电子警犬的安装位置应选择能让走动电子警犬的安装位置应选择能让走动的人进人红外探测器的可靠视场范围之内且不易被发现的人进人红外探测器的可靠视场范围之内且不易被发现之处。根据实际需要，探测器和扬声器也可以相距较远之处。根据实际需要，探测器和扬声器也可以相距较远分别安装。分别安装

39、。 IVT电子工程系电子工程系苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年3月22日9.3 超声波传感器超声波传感器 超声波传感器是利用超声波的特性，实现自动检超声波传感器是利用超声波的特性，实现自动检测的测量元件。声波是一种机械波。声的发生是由于测的测量元件。声波是一种机械波。声的发生是由于发声体的机械振动，引起周围弹性介质中质点的振动发声体的机械振动，引起周围弹性介质中质点的振动由近及远的传播，这就是声波。人耳所能听闻的声波由近及远的传播，这就是声波。人耳所能听闻的声波其频率在其频率在2020000Hz之间，频率在之间，频率

40、在2020000Hz以以外的声波不能引起声音的感觉。频率超过外的声波不能引起声音的感觉。频率超过20000Hz的的叫做超声波，频率低于叫做超声波，频率低于20Hz的叫做次声波。超声波的的叫做次声波。超声波的频率可以高达频率可以高达911Hz，而次声波的频率可以低达而次声波的频率可以低达9-8Hz。 IVT电子工程系电子工程系苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年3月22日 9.3.1 超声波的发生超声波的发生 超声波发生器将电磁能转换成机械能。其结构分超声波发生器将电磁能转换成机械能。其结构分为两部分，一是产生高频电流或电

41、压的电源，二是换为两部分，一是产生高频电流或电压的电源，二是换能器，它将电磁振荡变换成机械振荡而产生超声波。能器，它将电磁振荡变换成机械振荡而产生超声波。 u压电片厚度d图9.3.1 压电式超声波传感器超声波 1.压电式超声波发生器压电式超声波发生器 压电式超声波发生器就压电式超声波发生器就是利用压电晶体的电致伸缩是利用压电晶体的电致伸缩现象制成的。常用的压电材现象制成的。常用的压电材料为石英晶体、压电陶瓷锆料为石英晶体、压电陶瓷锆钛酸铅等。在压电材料切片钛酸铅等。在压电材料切片上施加交变电压，使它产生上施加交变电压，使它产生电致伸缩振动，而产生超声电致伸缩振动，而产生超声波，如右图所示。波，

42、如右图所示。IVT电子工程系电子工程系苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年3月22日 2 2. .磁致伸缩超声波发生器磁致伸缩超声波发生器 磁致伸缩效应的大小，即伸长缩短的程度，不同的磁致伸缩效应的大小，即伸长缩短的程度，不同的铁磁物质其情况不相同。镍的磁致伸缩效应最大，它在铁磁物质其情况不相同。镍的磁致伸缩效应最大，它在一切磁场中都是缩短的。如果先加一定的直流磁场，再一切磁场中都是缩短的。如果先加一定的直流磁场，再加以交流电时，它可工作在特性最好的区域。加以交流电时，它可工作在特性最好的区域。 磁致伸缩超声波发生器把铁

43、磁材料置于交变磁场中，磁致伸缩超声波发生器把铁磁材料置于交变磁场中，使它产生机械尺寸的交替变化，即机械振动，从而产生使它产生机械尺寸的交替变化，即机械振动，从而产生超声波。超声波。 IVT电子工程系电子工程系苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年3月22日 磁致伸缩超声波发生器是用厚度为磁致伸缩超声波发生器是用厚度为0.10.10.40.4mmmm的镍片的镍片叠加而成的，片间绝缘以减少涡流电流损失。其结构形状叠加而成的，片间绝缘以减少涡流电流损失。其结构形状有矩形、窗形等，如下图所示。有矩形、窗形等，如下图所示。磁致伸缩超

44、声波发生器的磁致伸缩超声波发生器的材料，除镍外，还有铁钻钒合金和含锌、镍的铁氧体。磁材料，除镍外，还有铁钻钒合金和含锌、镍的铁氧体。磁致伸缩超声波发生器只能用在几万致伸缩超声波发生器只能用在几万Hz的频率范围以内，但的频率范围以内，但功率可达十万功率可达十万W，声强可达几千声强可达几千Wcm2，能耐较高的温度。能耐较高的温度。 dd图9.3.2 磁致伸缩超声波发生器IVT电子工程系电子工程系苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年3月22日9.3.2 超声波的接收超声波的接收 在超声波技术中，除了需要能产生一定的频率和强在超

45、声波技术中，除了需要能产生一定的频率和强度的超声波发生器以外，还需要能接收超声波的接收器。度的超声波发生器以外，还需要能接收超声波的接收器。一般的超声波接收器是利用超声波发生器的逆效应而进一般的超声波接收器是利用超声波发生器的逆效应而进行工作的。行工作的。 磁致伸缩超声波接收器是利用磁致伸缩的逆效应而磁致伸缩超声波接收器是利用磁致伸缩的逆效应而制成的。当超声波作用到磁致伸缩材料上时，使磁致材制成的。当超声波作用到磁致伸缩材料上时，使磁致材料伸缩，引起它的内部磁场料伸缩，引起它的内部磁场(即导磁特性即导磁特性)的变化。根据的变化。根据电磁感应，磁致伸缩材料上所绕的线圈获得感应电动势，电磁感应，磁

46、致伸缩材料上所绕的线圈获得感应电动势，并将此电动势送到测量电路及记录显示设备。它的结构并将此电动势送到测量电路及记录显示设备。它的结构也与发生器差不多。也与发生器差不多。 IVT电子工程系电子工程系苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年3月22日9.3.3 超声波的传播特性超声波的传播特性 超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，它是由与介超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，它是由与介质相接触的振荡源所引起的。设有某种弹性介质及振荡源，质相接触的振荡源所引起的。设有某种弹性介质及振荡源，如下图所示如下图所示, , a图为图为横

47、向振荡横向振荡, , b图为纵向振荡。横向振荡图为纵向振荡。横向振荡只能在固体中产生，而纵向振荡可在固体、液体和气体中只能在固体中产生，而纵向振荡可在固体、液体和气体中产生。产生。 IVT电子工程系电子工程系苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年3月22日gB1c 超声波的传播速度与介质的密度和弹性特性超声波的传播速度与介质的密度和弹性特性有关。对于液体及气体，其传播的速度为有关。对于液体及气体，其传播的速度为: 在固体中的传播速度为在固体中的传播速度为: 超声波的一种传播特性超声波的一种传播特性是在通过两种不同的介质时，

48、是在通过两种不同的介质时，产生折射和反射现象，产生折射和反射现象，如右图所示，图中：如右图所示，图中：)2-1)(1-1 Ec21sinsinccIVT电子工程系电子工程系苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年3月22日 超声波的另一种传播特性是在通过同种介质时，随超声波的另一种传播特性是在通过同种介质时，随着传播距离的增加，其强度因介质吸收能量而减弱。设着传播距离的增加，其强度因介质吸收能量而减弱。设超声波进入介质时的强度为超声波进入介质时的强度为I I0 0，通过介质后的强度为通过介质后的强度为I I，如右下图所示，则

49、有：如右下图所示，则有： -Ad0eII 振动源介质I0Id 对于液体介质，超声波能对于液体介质，超声波能量的吸收系数为：量的吸收系数为： 对于固体介质，超声波能对于固体介质，超声波能量的吸收系数为：量的吸收系数为：c1-K34cf4A322Qcf2AIVT电子工程系电子工程系苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年3月22日9.3.4 超声波在自动检测中的应用超声波在自动检测中的应用 超声波已广泛地应用于工业技术部门。下面举几个超声波已广泛地应用于工业技术部门。下面举几个例子说明它在检测技术中的应用。例子说明它在检测技术中

50、的应用。 1 1. .超声波探伤超声波探伤 对高频超声波，由于它的波长短，不易产生绕射，对高频超声波，由于它的波长短，不易产生绕射，碰到杂质或分界面就会有明显的反射，而且方向性好，碰到杂质或分界面就会有明显的反射，而且方向性好，能成为射线而定向传播；在液体、固体中衰减小，穿透能成为射线而定向传播；在液体、固体中衰减小，穿透本领大。这些特性使得超声波成为无损探伤方面的重要本领大。这些特性使得超声波成为无损探伤方面的重要工具。工具。 IVT电子工程系电子工程系苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年3月22日 (1) (1)穿透

51、法探伤穿透法探伤 穿透法探伤是根据超声波穿透工件穿透法探伤是根据超声波穿透工件后的能量变化状况，来判别工件内部质量的方法。穿透后的能量变化状况，来判别工件内部质量的方法。穿透法用两个探头，置于工件相对面，一个发射超声波，一法用两个探头，置于工件相对面，一个发射超声波，一个接收超声波。发射波可以是连续波，也可以是脉冲。个接收超声波。发射波可以是连续波，也可以是脉冲。其工作原理如下图所示。在探测中，当工件内无缺陷时，其工作原理如下图所示。在探测中，当工件内无缺陷时，接收能量大，接收能量大，仪表指示值大；仪表指示值大；当工件内有缺陷时，当工件内有缺陷时，因部分能量被反射，因部分能量被反射，接收能量小

52、，仪表接收能量小，仪表指示值小。指示值小。IVT电子工程系电子工程系苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年3月22日 (2) 反射法探伤反射法探伤 是以超声波在工件中反射情况的是以超声波在工件中反射情况的不同，来探测缺陷的方法。检测原理如下图所示。超声不同，来探测缺陷的方法。检测原理如下图所示。超声波以一定的速度向工件内部传播。一部分超声波遇到缺波以一定的速度向工件内部传播。一部分超声波遇到缺陷陷F时反射回来；另一部分超声波继续传至工件底面时反射回来；另一部分超声波继续传至工件底面B，也反射回来。由缺陷及底面反射回来的超声

53、波被探头接也反射回来。由缺陷及底面反射回来的超声波被探头接收时，又变为电脉冲。发射波收时，又变为电脉冲。发射波f、缺陷波缺陷波F及底波月经放及底波月经放大后，在显示器荧光屏上显示出来。大后，在显示器荧光屏上显示出来。 IVT电子工程系电子工程系苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年3月22日 2 2. .超声波测液位超声波测液位 超声波测液位是利用回声原理进行工作的，如下图超声波测液位是利用回声原理进行工作的，如下图所示。当超声波探头向液面发射短促的超声脉冲，经过所示。当超声波探头向液面发射短促的超声脉冲，经过时间时间t后

54、，探头接收到从液面反射回来的回音脉冲。因此后，探头接收到从液面反射回来的回音脉冲。因此探头到液面的距离探头到液面的距离L可由下式求出：可由下式求出：ctL21IVT电子工程系电子工程系苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年3月22日 3 3. .超声波测厚度超声波测厚度 在超声波测厚技术中，应用较为广泛的是脉冲回在超声波测厚技术中，应用较为广泛的是脉冲回波法，其工作原理如下图所示。它通过测量超声波脉波法，其工作原理如下图所示。它通过测量超声波脉冲通过工件所需的时间间隔，然后根据超声波脉冲在冲通过工件所需的时间间隔，然后根据

55、超声波脉冲在工件中传播的速度求出工件中传播的速度求出工件的厚度。若传播工件的厚度。若传播速度速度c c，时间间隔，时间间隔t t，则试件厚度则试件厚度d d可用可用下式求出：下式求出：ctd21IVT电子工程系电子工程系苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年3月22日9.3.5 超声波测距电路设计与制作超声波测距电路设计与制作 由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可

56、以通过超声波来量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算实现。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在移动机器人的研制上达到工业实用的要求，因此在移动机器人的研制上也得到了广泛的应用。也得到了广泛的应用。 为了使移动机器人能自动避障行走，就必须装为了使移动机器人能自动避障行走，就必须装备测距系统，以使其及时获取距障碍物的距离信息备测距系统，以使其及时获取距障碍物的距离信息（距离和方向）。可以利用超声波传感器结合单片（距离和方向）。可以利用

57、超声波传感器结合单片机来设计三方向（前、左、右）的超声波测距电路，机来设计三方向（前、左、右）的超声波测距电路，为机器人了解其前方、左侧和右侧的环境提供一个为机器人了解其前方、左侧和右侧的环境提供一个运动距离信息。运动距离信息。 IVT电子工程系电子工程系苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年3月22日9.3.5.1 超声波测距原理超声波测距原理 可用时间差测距法进行距离的测量，具体原理可用时间差测距法进行距离的测量，具体原理是：超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射是：超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时

58、开始计时，超声波在空气中传播，途中时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发，就可以计算出发射点距障碍物的距离射点距障碍物的距离(s)，即：，即：2/340ts IVT电子工程系电子工程系苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年3月22日9.3.5.2 超声波测距系统的电路设计

59、超声波测距系统的电路设计电路原理图如下电路原理图如下:IVT电子工程系电子工程系苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年3月22日1、40kHz 脉冲的产生与超声波发射 测距系统中的超声波传感器采用UCM40的压电陶瓷传感器，它的工作电压是40kHz的脉冲信号，由单片机执行下面程序来产生。 puzel： mov 14h, #12h；超声波发射持续200ms here： cpl p1.0 ；输出40kHz方波 nop ； nop ； nop ； djnz 14h，here； ret IVT电子工程系电子工程系苏州工业园区职业技

60、术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年3月22日2、超声波的接收与处理、超声波的接收与处理 接收头采用与发射头配对的接收头采用与发射头配对的UCM40R，将超声，将超声波调制脉冲变为交变电压信号，经运算放大器波调制脉冲变为交变电压信号，经运算放大器IC1A和和IC1B两级放大后加至两级放大后加至IC2。IC2是带有锁定环的音是带有锁定环的音频译码集成块频译码集成块LM567，内部的压控振荡器的中心频，内部的压控振荡器的中心频率率f0=1/1.1R8C3，电容，电容C4决定其锁定带宽。调节决定其锁定带宽。调节R8在发射的载频上，则在发射的载频